Speicherinduktivitäten EMV bei Schaltreglern sicherstellen

Ein Schlüsselelement von Schaltreglern und DC/DC-Wandlern ist die Speicherinduktivität. Bei deren Design werden die elektrischen Parameter meist akkurat berücksichtigt, die elektromagnetische Abstrahlung jedoch häufig nicht – mit dramatischen Folgen, die sich verhindern lassen.

Speicherinduktivitäten in Schaltreglern (Bild 1) können aus verschiedenen Kernmaterialien und in unterschiedlichen Wicklungsarten ausgeführt und aufgebaut sein. Zudem lassen sich Speicherinduktivitäten in drei Arten unterteilen: ungeschirmte, halbgeschirmte und voll geschirmte. Jeder Schirmungstyp weist spezifische Vor- und Nachteile auf, was sich auf dessen Eignung für bestimmte Einsatzbereiche auswirkt.

Aufgrund der Schaltvorgänge in einem Schaltregler wird eine Wechselspannung in der Induktivität erzeugt. Da eine Induktivität im Grunde eine Rahmenantenne bildet, erzeugen die Wechselspannung und der Wechselstrom in der Spule ein elektrisches E-Feld und ein magnetisches H-Feld. Diese breiten sich ausgehend von der Quelle im rechten Winkel zueinander aus. Dabei hängt die Abstrahlung von einer ganzen Reihe von Faktoren ab. Im unteren Frequenzbereich von 100 kHz bis 30 MHz sind es der Schirmungstyp der Wicklung und deren Eigenschaften. Im oberen Frequenzbereich (30 MHz bis 1 GHz) dagegen hängt die Abstrahlung eher von den Schirmungseigenschaften des Kernmaterials, der Schaltfrequenz und dem grundlegenden Design ab.

Im Nahbereich dieser Rahmenantenne (Quelle) bestimmt deren Verhalten (Schaltfrequenz, Schaltübergänge usw.) die Eigenschaften der elektrischen und magnetischen Felder, weiter von der Quelle entfernt jedoch das Übergangsmedium. Diese separaten und doch miteinander in Verbindung stehenden Phänomene lassen sich folglich zwei Bereichen zuordnen: dem Nah- und dem Fernfeld. Der Bereich innerhalb von λ/2π von der Quelle wird als Nahfeld definiert, der außerhalb davon als Fernfeld (λ ist die Wellenlänge). Im Nahfeld sind das E- und das H-Feld separat zu betrachten, da das Verhältnis zwischen den beiden, definiert als Wellenwiderstand E/H, nicht konstant ist. Im Fernfeld dagegen bilden beide Felder gemeinsam eine ebene Welle. Aus diesem Grund werden das E- und das H-Feld nur im Kontext des Nahfeldes beschrieben. Wird die Quelle mit einem starken Strom und bei niedriger Spannung betrieben, dominiert das H-Feld, bei schwachem Strom und hoher Spannung das E-Feld.

Bei einer Rahmenantenne ist das magnetische Feld im Bereich der Quelle stark, sodass der Wellenwiderstand dort niedrig ist. Entfernt man sich von der Quelle, schwächt sich das H-Feld ab und erzeugt gleichzeitig dazu ein rechtwinklig zu dessen Ausbreitungsrichtung stehendes E-Feld. Dabei schwächt sich das magnetische H-Feld um 1/r³ ab, das elektrische E-Feld um den Faktor 1/r² (r ist der Abstand zur Quelle). Bei einer geraden Drahtantenne ist der Wellenwiderstand hoch, da das elektrische Feld im Bereich der Quelle dominant ist. Die Abschwächungseigenschaften sind denen der Rahmenantenne genau entgegengesetzt.

Einfluss der Schirmung

Die Abstrahlung elektromagnetischer Felder von Speicherinduktivitäten in DC/DC-Wandlern ist kein zu vernachlässigender Faktor, insbesondere bei Berücksichtigung von Typ und Abstand der umgebenden Bauteile und deren Anfälligkeit für induktive Kopplungen. Da die Sensibilität für diese potenzielle EMV-Problematik unter Ingenieuren zugenommen hat, haben die Bauteilhersteller reagiert und bieten nun ein erweitertes Portfolio an, das zusätzlich zu konventionellen ungeschirmten Spulen auch geschirmte sowie halb geschirmte Bauformen umfassen.

Geschirmte Spulen werden so gefertigt, dass die Wicklung vollständig in einem Formteil aus Material zur magnetischen Schirmung gekapselt ist. Bei ungeschirmten Spulen liegen die Spulenwicklungen normalerweise frei, und es gibt auch keine andere magnetische Schirmung. Aufgrund der ungehinderten Ausbreitung elektromagnetischer Felder sind dies normalerweise die stärksten EMV-Störquellen. Bei halb geschirmten Spulen werden magnetische Materialien vermengt meist in Epoxidharz auf die freiliegenden Windungen aufgebracht. Jeder Spulentyp hat sowohl Vor- als auch Nachteile. Der wesentliche Vorteil der geschirmten Spule besteht in den relativ schwachen elektromagnetischen Emissionen im Vergleich zu halb geschirmten und ungeschirmten Spulen. Das grundlegende Emissionsverhalten dieser drei Grundtypen lassen sich in Bild 2 gut erkennen; Bild 3 zeigt den dazugehörigen Messaufbau.

Wie die meisten Elektrotechniker jedoch wissen, ist das Entwerfen einer neuen Schaltung stets ein Balanceakt. Verstärkt man eine wünschenswerte Eigenschaft, verstärkt man häufig auch unerwünschte Eigenschaften, deren Maximalwerte letztendlich durch die Anforderungen des Gesamtprojekts beschränkt sind. Eine dieser Beschränkungen ist unausweichlich die Baugröße. Geschirmte Spulen zeichnen sich im Vergleich zu ungeschirmten Exemplaren mit denselben Abmessungen durch eine niedrigere Induktivität und Sättigung sowie höhere Fertigungskosten aus. Da liegt es nahe, dass viele Entwickler zunächst zu einer ungeschirmte Spule greifen, die kleiner und günstiger ist und höhere Sättigungsströme aufweist. Am Ende verursacht diese Wahl jedoch eine Vielzahl von EMV-Problemen, die sich nach der Designphase nur schwer abfangen lassen.

Daher bietet Würth Elektronik eiSos auch halb geschirmte Spulen an, mit denen der Spagat zwischen Platzbedarf, elektrischen Merkmalen und EMV gelingen kann. Diese eignen sich vor allem für Anwendungen, bei denen Bauteile in unmittelbarer räumlicher Nähe zu den Spulen nicht besonders strahlungssensibel sind. Bild 4 zeigt die Sättigungseigenschaften der halb geschirmten Speicherinduktivität WE-LQS (Baugröße 8040; schwarze Kurve) im Vergleich zu einer geschirmten Spule der Serie WE-PD (Baugröße 7345; graue Kurve) und einer ungeschirmten Spule der Serie WE-PD2 (Baugröße 7850; rote Kurve).